水為何能導電？科學家有了新發現

科學家們已經拍攝了自然界最神秘的接力賽的光譜快照：在傳導過程中，額外的質子從一個水分子傳遞到另一個水分子。

這一發現刷新了我們對生物學和化學中最基本的:機制水如何傳導正電荷的基本認識，。由耶魯大學化學教授Mark Johnson領導的研究人員在《科學》雜誌的12月1日版中發表了他們的發現。

200多年來，科學家們推測了讓電流通過水的特定作用力——這一過程被稱為格羅特斯機制。它發生在視覺中，例如，當光子撞擊眼睛的視網膜時。它也在燃料電池工作時出現。

但有關這種作用力的細節仍然很模糊。特別是當額外的質子從一個氧原子轉移到另一個氧原子時。科學家已經找到一種實驗方法來跟蹤互連水分子的網路中的結構變化。

Johnson說:「氧原子根本不需要移動，這就像『牛頓的搖籃』那種兒童玩具，一列鋼球，每個都懸掛在一根弦下面。如果你用一個球撞擊其他的球，只有列尾的球會移動，其他球不受干擾。」

Johnson的實驗室花了幾年時間在分子水平上探索水的化學性質。大部分研究是在耶魯大雪建造的特別設計的儀器完成的。實驗室的許多發現之一是電噴霧電離的創新運用，這是由耶魯大學諾貝爾獎獲得者John Fenn發明的。

Johnson和他的團隊已經開發出快速冷凍化學過程的方法，從而可以分離瞬態結構，揭示反應期間原子的扭曲排列。這些方法在從替代能源技術的優化到藥品的開發的方面都有潛在用途。

在質子傳播的競賽的中，過去記錄該過程的嘗試能否成功取決於是否能通過紅外線顏色變化來看到它。但結果總是看起來像一張模糊的照片。

Johnson說:「事實上，這種模糊過於嚴重，以至無法對比顏色和結構之間的關係。」

他發現，只用幾分子的「重水」——由氫的同位素氘構成的水，並將它們冷卻至幾乎絕對零度，運動中的質子的圖像就立刻變得清晰起來。

Johnson說:「實質上，我們發現了揭示與色彩相關的的結構信息的羅塞塔石碑，我們能夠揭示一系列協同變形，像電影的膠捲幀數一樣。」 萊比錫大學的Knut Asmis實驗組和匹茲堡大學的Ken Jordan和華盛頓大學的Anne McCoy的理論小組為他的實驗室提供了協助。

Johnson稱這一新發現的一個應用領域是理解水面上發生的化學過程。科學界就關於水的表面是否比水的大部分酸性更強存在激烈的爭議，目前，還沒有辦法測量水的表面pH值。

論文的第一作者是Conrad Wolke，前約翰遜實驗室的耶魯大學博士生。合作研究者來自芝加哥大學，俄亥俄州立大學，匹茲堡大學，華盛頓大學，萊比錫大學和馬克斯普朗克學會的弗里茨哈伯研究所。

研究的資金支持來自美國能源部，國家科學基金會，俄亥俄超級計算中心和德國研究基金會DFG的合作研究中心。

[黑鱗雞冠蛇 via sciencedaily]